PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

1

RAPORT STIINTIFIC SI TEHNIC IN EXTENSO

STUDIU TEHNIC

si

STUDIU DE FEZABILITATE TEHNICA Partea I

Denumirea proiectului:

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE (BLCPL)

Denumirea etapei:

Studiu tehnic, analiza, documentare. Studiu de fezabilitate tehnica partea I

Simbol: BLCPL

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

2

CUPRINS

1. OBIECTUL ŞI BAZELE LUCRĂRII

1.1 Obiectul lucrării

1.2 Bazele lucrării

1.3 Versiuni constructive

2. METODE DE CONTROL ALE MOTOARELOR BRUSHLESS SENSORLESS

2.1 Controlul motoarelor BLDC

2.2 Controlul motoarelor sensorless

3. MODELE CONCEPTUALE, SOLUŢII DE PRINCIPIU ŞI IPOTEZE DE CALCUL

3.1 Constructia motorului BLCPL

3.2 Controlul motorului BLCPL

3.3 Comanda motorului BLCPL

4. CONCLUZII ŞI PROPUNERI

4.1

. Descrierea soluţiilor propuse

4.2

. Caracteristici comune ale solutiilor propuse

4.3

. Caracteristicile tehnice ale controlerului electronic incorporat

4.4

. Conditii de mediu pentru motorul BLCPL

5 DISEMINAREA REZULTATELOR

6 STUDIU DE FEZABILITATE TEHNICA Partea I

7 BIBLIOGRAFIE

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

3

1. OBIECTUL ŞI BAZELE LUCRĂRII

1.1 Obiectul lucrării

Proiectul are ca obiectiv realizarea motorului BLCPL – BrushLess Commanded over Power

Line, in cadrul Directiei de cercetare 2.1. Sisteme şi tehnologii energetice durabile; securitatea

energetică, Tematica 2.1.3. Creşterea eficienţei energetice pe întregul lanţ energetic, cu accent

deosebit pe reducerea pierderilor de energie în clădirile publice şi rezidenţiale şi la consumatorii

industriali.

Pentru acest nou tip de motor alimentarea, controlul si comanda sunt tratate unitar si sunt

rezolvate de controller-ul electronic incorporat in carcasa motorului. Din carcasa motorului ies doar

cele 2 firele de alimentare sau in cazul in care este prevazut cu cutie de borne aceasta va avea doar 2

borne – bornele de alimentare pe unde si comunica serial, astfel in momentul in care este alimentat

motorul BLCPL este capabil – „pregatit” sa comunice in retea. El transmite, la cerere, o serie de

parametri functionali, de identificare si de stare si receptioneza comenzi pe care le executa. Protocolul

de comunicatie pe linia de alimentare implementat este in acord cu standardele internationale,

normativul IEC 61334 si standardul IEEE P1901.2.

Intr-o cladire automatizata – building automation sau intr-un automobil, motorul BLCPL este

elementul plug-and-play al retelei care transforma energia electrica in energie mecanica.

Motorul BLCPL este un motor in construcţie normala cu magneţi de ferita, care reprezinta o

soluţie viabilă mecanic şi suficient de ieftină pentru a fi atractivă.

Se preconizeaza ca in anul 2016 cand motorul BLCPL va fii introdus in productie de serie la

IME Pitesti sa se realizeze aproximativ 20.000 buc./an urmând ca productia să crească în anul 2020 la

aproximativ 200.000buc./an, concomitent cu reducerea costurilor datorita optimizarii proiectului tehnic

si a solutiilor tehnologice.

1.2 Bazele lucrării

Dintre diversele tipuri de motoare, motorul de curent alternativ trifazat este cel mai eficient,

ieftin, implica cele mai reduse cheltuieli de intretinere si are cea mai mare durata de viata. Inspirat de

acesta, a fost conceput, in secolul trecut, la inceputul anilor `60, motorul de curent continuu fara perii,

BLDC – BrushLess DC motor, foarte asemanator din punct de vedere principial si constructiv cu cel

de curent alternativ trifazat. Locul periilor colectoare a fost luat de un modul electronic de comanda si

control care prin comutare genera cele 3 faze. Motorul de curent continuu fara perii cu modulul lui de

comanda, multa vreme, datorita costului, gabaritului si caldurii degajate de modulul electronic, in

pofida cheltuielilor reduse de intretinere, a functionarii nezgomotoase si a duratei mare de viata, era

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

4

preferat in special in aplicatii industriale, in hard disk-uri. Progresele din domeniul electronicii de

putere marcate prin cresterea eficientei componentelor au adaugat performantelor modulelor de

comanda si control, implicit motorului BLDC, reducerea consumului, a gabaritului si a costurilor. In

ultimii ani motoarele fara perii incep sa penetreze piata aplicatiilor casnice in general si industria

automobilelor.

In mod traditional motorul BLDC este comutat intr-o secventa de 6 pasi controlata de un

senzor de pozitie (uzual senzor Hall). Cresterea puterii de calcul a componentelor digitale si integrarea

in acestea a convertoarelor A/D au permis elaborarea unei noi tehnici de control a comutarii fara

senzor de pozitie – sensorless, care reduc si mai mult costul si complexitatea modulului de comanda si

control. Pozitia este estimata, in general, in doua moduri: determinand trecerile prin zero a tensiunii

contraelectromotoare induse sau masurand tensiunea si curentul la capetele infasurarilor.

Ultima generatie de circuite integrate de semnal mixt – digital si analogic si a componentelor

discrete HVICs (High Voltage Integrated Circuits) au permis elaborarea unor module de comanda si

control cu un numar mic de componente, considerabil mai eficiente si mai ieftine. Reducerea

gabaritului modulului de comanda si control si cresterea eficientei lui deschid perspectiva plasarii in

interiorul carcasei motorului brushless – incorporarea in motor, a modulului electronic de comanda si

control.

Schema bloc a unui motor brushless sensorless actual este prezentata în figura 1.1.

Figura 1.1. Schema bloc a unui motor brushless sensorless actual

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

5

Blocul Power Supplay din figura 1.1. este blocul surselor de alimentare, iar Power Block este

blocul elementelor de putere – IGBT, MOSFET, etc.

Blocul de control - Control Block din figura 1.1., controleaza generarea formele de unda

defazate cu 120º, care prin intermediul elementelor de putere furnizeaza cele trei faze U, V si W, iar

prin intermediul blocului Interface este comandat motorul: pornit/oprit, schimbat sensul de rotatie,

modificata viteza.

In prezent motorul fãrã perii si fãrã senzor de poziţie - brushless sensorless motor, indiferent

daca modulul electronic de control este incorporat sau nu in carcasa motorului, este prevazut cu unul

sau mai multe linii de comanda, separate de cele de alimentare. Comanda motorului se face paralel sau

serial – figura 1.1. In cazul in care comanda motorului se face paralel avem o linie de pornire/oprire a

motorului, o linie de schimbare a sensului de rotatie si una sau mai multe linii de modificare a vitezei

(mai multe in cazul in care modificarea vitezei se face in trepte). Pentru comanda seriala a motorului se

utilizeaza una dintre interfetele standard de comunicatie : RS232, RS485, RS422 sau modem. In

fiecare situatie este necesara o infrastructura pentru comanda motorului – cel putin un cablu cu doua

fire.

Proiectul propune derularea de activitati de cercetare-dezvoltare-inovare pentru realizarea unui

nou tip de motor fara perii fara senzori de pozitie – motor brushless sensorless, comandat pe linia de

alimentare – power line: motorul BLCPL - BrushLess Commanded over Power Line. Pentru acest

nou tip de motor alimentarea, controlul si comanda sunt tratate unitar si sunt rezolvate de controller-ul

incorporat in carcasa motorului. Acest motor comunica – este comandat şi îi se pot citi parametri, pe

linia de alimentare, fara sa mai fie necesare conexiuni suplimentare. Din carcasa motorului ies doar

cele 2 firele de alimentare sau in cazul in care este prevazut cu cutie de borne aceasta va avea doar 2

borne – bornele de alimentare pe unde si comunica serial. Comunicatia are loc in ambele sensuri, dar

nu simultan - half-duplex, la o viteza de maximum 9,6Kbiti/s. Protocolul de comunicatie pe linia de

alimentare implementat este in acord cu standardele internationale, normativul IEC 61334 si

standardul IEEE P1901.2.

Motorul BrushLess Commanded over Power Line – BLCPL, in momentul in care este

alimentat este capabil – „pregatit” sa si comunice, sa fie comandat, monitorizat. Intr-o cladire

automatizata – building automation sau intr-un automobil automatizat, BLCPL este elementul plug-

and-play al retelei care transforma energia electrica in energie mecanica.

Comunicatia pe linia de alimentare – Power Line Communication, foloseste linia de alimentare

pentru transmisia datelor. Inca de la inceputul anilor 1920 este utilizata acest tip de comunicatie in

retelele de distributia energiei electrice din Londra pentru comutarea de la distanta a diverselor

echipamente ale retelei ca intreruptoare de inalta tensiune de exemplu. Tot in domeniul utilitatilor o

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

6

serie de alte echipamente sunt conectate pe linia de alimentare la viteze de pana la 9,6Kbiti/s,

comunicand pe distante de ordinul kilometrilor.

Tendinta de utilizare a infrastructurii existente sustinuta de noile generatii de microcontrollere

cu viteza tot mai mare de prelucrare, a sistemelor embedded, a condus la aparitia de echipamente care

concentreaza tot mai multa inteligentala si care comunica intre ele pe linia de alimentare sau pe bucla

de masura. In prezent Ethernet pe powerline reprezinta o solutie raspandita de acces la internet in

cladirile de birouri aglomerate sau in case de locuit, sigura si bine protejata. La fel de raspandita este si

o alta aplicatie a comunicatiei pe linia de alimentare: citirea contoarelor electrice – smart metering.

Motorul BLCPL - BrushLess Commanded over Power Line adauga performantelor motorului

fara perii fara senzor de pozitie capacitatea de a comunica pe linia de alimentare, punand in valoare

noile realizari din cele doua domenii: controlul motoarelor – control motors si comunicatia pe linia de

alimentare – powerline communication. Comunicatia pe linia de alimentare are ca rezultat disparitia

infrastructurii de comanda ceea ce conduce la scaderea cheltuielilor de instalare - economie de cupru,

economie de manopera.

Implementarea unui protocolul de comunicatie pe linia de alimentare in acord cu standardele

internationale contribuie de asemenea la reducerea cheltuielilor de instalare.

Motoarele BLCPL - BrushLess Commanded over Power Line se vor caracteriza prin:

reducerea consumului energetic;

cresterea densitatii de putere;

asigurarea unui control inteligent;

cresterea sigurantei in functionare;

reducerea consumului de materiale active;

reducerea cheltuielilor de instalare;

reducerea cheltuielilor de exploatare;

reducerea cheltuielilor de productie.

Schema bloc a motorului brushless cu controller electronic incorporat comandat pe linia de

alimentare - BLCPL, este prezentata în figura 1.2.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

7

Figura 1.2. Schema bloc a motorului BLCPL – BrushLess Commanded over Power Line

Comparativ cu figura 1.1. se observa disparitia infrastructurii de comanda si utilizarea liniei de

alimentare si pentru comanda motorului prin intermediul comunicatie seriale suprapusa peste

alimentare. Blocul functional PLM din figura 1.2. este modemul pe linia de alimentare, responsabil de

modularea/demodularea semnalului de date. PLM foloseste modulatia de tipul S-FSK (spread-FSK) si

asigura schimbul de date de date in ambele sensuri, dar nu simultan - half-duplex, la o viteza de

maximum 9,6Kbiti/s.

Capacitatea motorului BLCPL de a comunica pe linia de alimentare conduce la disparitia liniilor

de comanda care are ca rezultat economie de cupru – material scump si energofag. In aplicatiile in care

motorul BLCPL inlocuieste motorul de curent continuu, el raspunde tendintelor actuale de utilizare a

infrastructurii existente, de concentrare a tot mai multa inteligenta si de marire a conectivitatii.

1.3 Versiuni constructive

Motorul BLCPL - BrushLess Commanded over Power Line va fi introdus in productia de

serie la S.C. ANA IMEP SA si va fi realizat in 3 versiuni constructive, functie de aplicatie:

10W-100W (sisteme HVAC din cladiri publice şi rezidenţiale automatizate);

100W-300W (sisteme HVAC auto);

200W-450W (motoare utilizate la actionare de usi, porti, pompe, etc.).

Pentru fiecare dintre cele 3 versiuni constructive structura motorului este cea prezentata in

figura 1.2., diferite fiind puterea si dimensiunea motorului PMSM, blocul surselor de alimentare -

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

8

Power Supplay si blocul elementelor de putere - Power Block. Blocurile modem pe linia de alimentare

si blocul de control sunt identice, inclusiv software-ul implementat. Fiecarei versiuni constructive ii

corespunde un motor sincron cu magneti permanenti PMSM si un controller electronic.

Motorul PMSM va avea următoarele caracteristici: motor fără perii fără senzor de poziţie în

construcţie normală (rotor la interior), bobinaj trifazat standard, conexiune stea cu 6 sau 12 bobine,

curent absorbit 0,5-2A, turaţie în gama 300-18000 rpm (în funcţie de aplicaţie), clasa de izolaţie 130ºC

(B) sau 155ºC (F), putând ajunge în condiţii de funcţionare anormală până la temperaturi de 240ºC pe

perioade mai mici de 10 sec, rezistenta bobinajului: 0.4Ω la 1Ω (pentru aplicatii auto), 5Ω la 25Ω

(pentru aplicatii dintr-o casa automatizata), curentul nominal absorbit pe faza: max. 2A (aplicatii dintr-

o casa automatizata); max. 30A (aplicatii auto) cu varfuri de pana la 50% din valoarea nominala pentru

mai putin de 1s.

Motorul sincron cu magneti permanenti PMSM va fi introdus in productia de serie de asemenea

la S.C. ANA IMEP SA.

Controller-ul electronic incorporat realizeaza urmatoarele functii:

Controlul rotatiei motorului – viteza de rotatie, sens, secvenţe pornire/oprire, rampe de

accelerare/franare

Controlul poziţiei - fără senzor prin metoda celor 3 şunturi

Protectia motorului la supracurenti datorita blocării accidentale a axului motorului

Controlul temperaturii motorului

Protectia motorul la valori excesive ale temperaturii motorului datorate eventualelor

defecţiuni sau utilizării necorespunzatoare in aplicaţie

Comunicatia pe linia de alimentare in acord cu standardele internationale, normativul IEC

61334 si standardul IEEE P1901.2.

Tensiunea de alimentare a motorului este alternativa monofazata in cazul aplicatiilor dintr-o

casa automatizata: 220÷240VAC+10%/-15% la 50-60Hz sau 110VAC+10%/-15% la 60Hz si continua in

cazul aplicatiilor auto: uzual 8...18VDC sau 24VDC.

Controller-ul electronic va fi introdus in productia de serie la S.C. MIBATRON SRL.

Elementul de originalitate al motorului BLCPL – BrushLess Commanded over Power Line

consta in capacitatea acestuia de a comunica pe linia de alimentare in acord cu normativul IEC 61334

si conform cu standardul IEEE P1901.2.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

9

2. METODE DE CONTROL ALE MOTOARELOR BRUSHLESS SENSORLESS

2.1. Controlul motoarelor BLDC

Modalitatea de control a cuplului si turatiei unui motor BLDC se bazeaza pe ecuatiile de cuplu

si “back-EMF”, care sunt similare cu cele ale unui motor DC. Pentru “back-EMF” aceasta ecuatie este:

E=2*N*l*r*B*w

Pentru cuplu:

T=(0.5*(i^2)*(dL/dθ))-(0.5*(B^2)*(dR/dθ))+((4*N/π)*B*r*l*π*i)

Unde:

- N – numarul de spire pe faza

- l – lungimea motorului

- r – raza interna a rotorului

- B – densitatea fluxului magnetic al rotorului

- w – viteza unghiulara a rotorului

- i – curentul de faza

- L – inductanta fazei

- R – rezistenta fazei

Primii doi termeni in expresia cuplului sunt componentele de cuplu ale reluctantei parazite. Cel

de-al treilea termen produce cuplul mutual, care este mecanismul folosit in cazul motoarelor BLDC.

Putem concluziona ca “back-EMF” este proportionala cu viteza de rotatie iar cuplul este proportional

cu curentul de faza. Acesti factori determina o schema de control a vitezei motoarelor BLDC de tipul

celei prezentate in fig.2.1.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

10

Fig.2.1. Configuratia buclei de control a vitezei si curentului pentru un motor BLDC

In aceasta schema de control, generarea cuplului se face pe principiu ca curentul se inchide

doar prin doua faze la un moment dat si ca in portiunea in care tensiunea “back-EMF” trece prin zero

cuplul este zero.

Formele de unda sunt reprezentate in fig.2.2.

Fig.2.2. Formele de semnal pentru modul de operare “two phase ON”

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

11

Aceasta schema de control prezinta citeva avantaje:

- in fiecare moment doar un singur curent trebuie controlat

- este necesar un singur senzor de curent

- se poate folosi ca traductor de curent un shunt rezistiv cu cost scazut

Principiul de control al motorului BLDC este ca in orice moment trebuie sa energizam acea

pereche de faze care produce cuplul maxim. Pentru a optimiza acest efect “back-EMF” trebuie sa fie

trapezoidala. Combinatia de curent DC si “back-EMF” trapezoidala genereaza, teoretic, un cuplu

constant. In practica curentul nu se stabilizeaza instantaneu, si in consecinta un riplu al acestuia apare

la fiecare comutatie de faza.

Daca motorul controlat are o “back-EMF” sinusoidala, se poate folosi aceiasi schema de

control, dar cuplul generat este mai slab si are un riplu sinusoidal.

Functionarea corecta a buclei de control presupune posibilitatea de a determina pozitia corecta

a rotorului pentru a cunoaste punctele de comutatie. In principiu acest lucru se poate face cu ajutorul

unor senzori (senzori Hall pozitionati in motor) sau fara senzori (sensorless).

2.2. Controlul motoarelor sensorless

In absenta unor senzori de pozitie este posibila masurarea tensiunilor contra electromotoare si

determinarea punctelor de trecere prin zero ale acestora, astfel incit sa putem determina punctele de

comutatie.

In fig.2.3. este prezentat modelul electric asociat unei faze a statorului.

Fig.2.3. Modelul electric al statorului

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

12

In schema de mai sus avem:

- L – inductanta unei faze

- R – rezistenta unei faze

- E – “back-EMF”

- Vn – tensiunea punctului comun al conexiunii stea fata de GND

- Vx – tensiunea de faza fata de GND

Considerind ca faza C nu este alimentata, pentru cele trei terminale ale motorului, putem scrie

urmatoarele ecuatii:

Va=R*Ia+L*(dIa/dt)+Ea+Vn

Vb=R*Ib+L*(dIb/dt)+Eb+Vn

Vc=Ec+Vn

Deoarece doar doi curenti circula prin infasurarile statorului la un moment dat, vom avea:

Ia=-Ib

Prin adunarea celor trei ecuatii obtinem:

Va+Vb+Vc=Ea+Eb+Ec+3*Vn

Forma de unda pentru “back-EMF” este prezentata in fig.2.4.

Fig.2.4. Formele de unda si “back-EMF” pentru motorul BLDC

Din formele de unda de mai sus este evident ca la trecerea prin zero a “back-EMF”, suma celor

trei tensiuni “back-EMF” este zero. In aceste conditii ultima ecuatie se reduce la:

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

13

Va+Vb+Vc=3*Vn

Aceasta ecuatie permite calculul lui Vn (tensiunea neutra). Cunoscind valoarea lui Vn, pentru

faza nealimentata C, putem determina trecerea prin zero din ecuatia:

Vc=Ec+Vn

In mod analog se pot determina trecerile prin zero si pentru celelalte doua faze, A si B.

Deci in cazul unui motor BLDC determinarea punctelor de comutatie se poate face prin

masurarea tensiunilor de alimentare ale celor trei faze fata de GND. Cunoscind punctele de comutatie

se poate calcula si viteza unghiulara a motorului.

3. MODELE CONCEPTUALE, SOLUŢII DE PRINCIPIU ŞI IPOTEZE DE CALCUL

3.1. Constructia motorului BLCPL

Din punct de vedere constructiv motoarelor brushless se imparte in trei mari categorii fiecare

din ele avand avantaje si dezavantaje.

A. Constructia normala (sau “inrunner”) cu rotorul in interior se apropie foarte mult de cea a

unui motor cu perii si magneti permanenti alimentat in current continuu. Aceasta constructie, figura

3.1., are avantajul ca poate atinge turatii foarte mari iar bobinajul statoric profita de racirea cauzata de

fluxul de aer generat de invartirea rotorului. Principalul dezavantaj al acestei constructii este

imposibilitatea dezvoltarii de cupluri foarte mari.

Fig.3.1. Motor in constructie normala

B. Constructia inversata (sau “outrunner”) cu rotorul in exterior, contrar motoarelor clasice,

de unde si denumirea primita de acest tip de motor. Aceasta constructie, figura 3.2., are avantajul ca

poate atinge cupluri foarte mari si ca fixarea magnetilor nu necesita precautii extraordinare.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

14

Fig.3.2. Motor in constructie inversata

Principalele dezavantaje sunt turatia mica si constructia mecanica mai dificila decat in cazul

motoarelor cu rotorul in interior.

C. Constructia axial in care fluxul magnetic in motor este axial (paralel cu axa de rotatie a

motorului). Aceasta constructie, figura 3.3., impartaseste in mare parte aceleasi avantaje si dezavantaje

cu motorul in cosntructie inversata fara insa a avea avantajul stabilitatii magnetilor dar prezentand in

schimb densitate de putere mai mare.

Fig.3.3 Motor in constructie axiala

Constructia care se preteaza cel mai bine in gama de puteri si care poate sa realizeze cel mai

bine cuplurile si turatiile cerute de aplicatiile pe care se intentioneaza folosirea motorului este

constructia normala.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

15

3.1.1. Constructia rotorului pentru motorul in constructie normala

a. - rotor clasic cu magneti permanentisi

colivie turnata

b. -rotor cu magnetii la suprafata (SPM)

c. -rotor cu magneti inserati

d. -rotor cu magneti ingropati si distribuiti

simetric

e. -rotor cu magneti ingropati si distribuiti

asimetric

Fig.3.4. Tipuri de constructie a rotorului

Fiecare dintre aceste constructii are avantaje si dezavantaje. Constructia rotorului care

avantajeaza cel mai mult din punctul de vedere al aplicatiilor este varianta e) care asigura o fixare

simpla a magnetilor si o simetrie a cuplurilor de agatare.

3.1.2. Consideratii electromagnetice

Pentru toate tipurile de constructie mecanica conceptual este practice acelasi si anume de

inlocuire a excitatie electromagnetice (generatoare de flux magnetic) cu magneti permanenti.

Deasemenea constanta in toate aceste constructii este dispunere magnetilor permanenti pe rotor si a

bobinajului pe stator, dispunere dictate de nevoia de a putea comuta electronic curentul care parcurge

bobinajul. Acesta este principalul motiv pentru care motoarele brushless au castigat atat de multa

popularitate. Bobinajul statoric este de cele mai multe ori in sistem trifazat (desi exista si bobinaje

monofazate sau bifazate pentru motoare cu puteri mici) conexate in stea sau triunghi. Comutatia

electronica a curentului este cea care genereaza o forta Lorentz de semn constant ce conduce la aparitia

cuplului la arborele masinii. Cuplul generat de catre masina electrica are o formula foarte simpla

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

16

M=F*r insa calculul exact al acesteia necesita utilizarea de formule laborioase si de cele mai multe ori

este realizat cu ajutorul computerelor. Principalele metode de calcul sunt:

metoda tensorului de stres al lui Maxwell- pentru utilizarea acestuia trebuie

cunoscuta distributia locala a densitatii fluxului de-a lungul unei linii de camp specifice

metoda co-energiei- unde cuplul este calculat ca derivata in raport cu deplasarile mici a

energiei electromagnetice inmagazinate

metoda fortei Lorentz-cuplul instantaneu este exprimat in functie de tensiunea

contraelectromotoare

Rezolvarea exacta a acestor ecuatii de cuplu si forta nu se poate face decat cu metoda

elementului finit prin simulare pe calculator.

3.1.3. Magneti

Valoarea puterii maxime inmagazinate de catre motor este limitata de catre volumul magnetilor

si de energia maxima inmagazinata in acestia. Magnetii permanenti din pamanturi rare au o energie

inmagazinata mai mare decat cei din ferita si prin urmare ocupa un volum mai mic pentru aceeasi

energie dar sunt deasemenea si foarte scumpi, nefiind economici decat in aplicatii care necesita

volume mici. Feritele au avantajul unui coeficient de temperatura negativ lucru care previne

demagnetizarea magnetilor la temperaturi inalte.

3.1.4. Rulmenti

Pentru realizarea acestui tip de motor se vor utiliza rulmentii cu bile similari cu 6202 in baza

experientei avute in productia de motoare aflate in aceeasi gama de putere. Pentru motoarele folosite in

aplicatii HVAC se vor utilize tot rulmenti cu bile pentru a se putea mari eficienta mecanica a

motorului.

3.2. Controlul motorului BLCPL

Conform propunerii de proiect, din punct de vedere constructiv motorul BLCPL este un motor

sincron cu magneți permanenți, PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor, în construcție

normala – rotor la interior, fără perii, fără senzor de poziţie, bobinaj trifazat standard, conexiune stea

cu 6 sau 12 bobine. Blocul de control al motorului care trebuie proiectat va avea următoarele funcţiuni:

asigurarea tensiunilor de alimentare necesare;

pornirea motorului;

controlul poziției rotorului;

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

17

comanda dispozitivelor de putere;

comunicarea pe linia de alimentare de la reţea.

Motorul cu magneți permanenți sincron (Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM) este

un motor care utilizează magneți permanenți pentru crearea câmpului magnetic în locul înfășurării

rotorice. Păstrează înfășurarea statorică și posedă dispozitive interne sau externe pentru sesizarea

poziției rotorului. Poziția sesizată constituie bucla de reacție pentru ajustarea frecvenței și amplitudinii

tensiunii din stator astfel încât să se obțină rotația ansamblului magneți permanenți. Utilizarea

magnetilor permanenti are consecinta eliminarea periilor colectoare. Se pot realiza motoare PMSM cu

orice numar par de poli magnetici.

Functionarea motorului cu magneți permanenți sincron se bazeaza pe interactiunea dintre

câmpul electromagnetic învartitor produs de curentii care circula prin înfasurarile statorului si câmpul

magnetic al rotorului. Pentru a controla câmpul magnetic învârtitor trebuie controlati curentii din

stator. Interactiunea dintre cele doua câmpuri produce un cuplu care pune în miscare elementul care nu

este fixat rigid, rotorul, producând astfel un lucru mecanic. Rotaţia câmpului electromagnetic din stator

trebuie să fie sincronă cu rotaţia câmpului magnetic permanent, altfel rotorul va avea cupluri alternante

pozitive si negative ce vor duce la reducerea cuplului optim, vibraţii mecanice, zgomot şi solicitări

mecanice în motor. În cazul în care inerția rotorului previne răspunsul la aceste oscilații, totuși rotorul

se oprește la frecvența de sincronizare și răspunde la cuplul mediu văzut de rotor, care este zero.

Acesta este fenomenul cunoscut sub numele de "pull-out". Acesta este și motivul pentru care mașina

sincronă nu porneşte de la sine. Unghiul dintre câmpul magnetic al rotorului și câmpul statorului

trebuie să fie atent controlat pentru a produce un cuplu maxim și o eficiență de conversie

electromecanică ridicată. În acest scop, este nevoie de o reglare fină după închiderea buclei de viteză

folosind algoritmul fără senzori pentru a obţine minimumul de curent în aceleași condiții de viteză și

cuplu. Unghiul pentru care se obţine cuplul maxim este egal cu 90⁰, de aceea, pentru obţinerea

sincronizării, este necasară cunoașterea poziţiei rotorului astfel încât să se genereze câmpul în stator

adecvat. Motorul BLCPL nu are senzor de pozitie. Sunt mai multe motive pentru care s-a căutat

eliminarea senzorului de poziţie:

Reducerea costurilor

Creşterea fiabilităţii sistemului

Limitare a domeniului de temperatură a senzorilor Hall

In unele aplicaţii mai compacte (ex. HDD) este dificilă includerea unui senzor de poziţie

La motoarele de mică putere (sub 1W) puterea consumată de senzorii de poziţie poate

reduce substanţial eficienţa motorului.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

18

Există mai multe soluţii de control al motorului fără utilizarea senzorului de poziţie care pot fi

împărţite în mai multe categorii:

determinarea poziţiei rotorului prin observarea şi integrarea vitezei de rotaţie. Prezintă

dezavantajul că erorile de estimare a vitezei pot duce la inexactități în poziția calculată a rotorului

deoarece, integrarea unei erori constante, de exemplu, conduce la o estimare incertă a poziției rotorului

în lipsa unui algoritm de compensare adecvat. Chiar dacă estimarea vitezei medii este mai precisă în

condiţiile de echilibru, metoda nu este destul de rapidă pentru un bun răspuns dinamic.

determinarea vitezei rotorului prin observarea şi diferenţierea pozitiei. În mod similar,

în cazul în care viteza este calculata doar prin diferențierea poziția rotorului, amplificarea zgomotului

va duce la erori in estimarea vitezei.

determinarea poziţiei rotorului direct din vectorul flux. Aceasta necesită o preprocesare

a vectorului flux prin intermediul unui filtru trece jos pentru îmbunătăţirea preciziei semnalului de

poziţie, care, prin diferenţiere să ducă la o estimare mai precisă a vitezei. Insă utilizarea filtrului va

introduce, în general, o schimbare de fază a vectorului flux fundamental într-o largă bandă de

frecvențe. De aceea, se utilizeaza des o metodă de mediere a vitezei, deoarece ea dă o valoare corectă

atunci când motorul funcţionează la starea de echilibru.

determinarea vitezei din raportul dintre amplitudinea tensiunii electromotoare induse şi

fluxul total de excitație. Deşi această metodă de calcul a vitezei are un răspuns rapid, ea prezintă două

dezavantaje semnificative care duc la scăderea acurateţei. În primul rând, calculul forţei

electromotoare necesită diferențierea curentului; zgomotul poate duce la potenţiale erori ale vitezei

importante. Eliminarea diferenţierii a dus la rezultate mai bune, dar a necesitat proiectarea unui sistem

de control mult mai complex. În al doilea rând, parametrii care intră în calcul, ca rezistenţa înfăşurării,

inductanţa, fluxul total de excitaţie, pot varia (de exemplu, cu temperatura), ceea ce va duce la erori în

calcularea vitezei.

In ultimul timp s-au conturat două direcţii moderne de realizare a acţionărilor electrice

reglabile de curent alternativ:

reglarea cu orientare după câmp (Field Oriented Control, FOC) sau reglarea vectorială;

reglarea directă a cuplului (Direct Torque Control, DTC).

Conceptele de reglare se bazează pe teoria fazorilor spaţiali. În reglarea cu orientare după câmp

– prin introducerea fazorilor spaţiali – maşina trifazată de c.a. reală este echivalată cu o maşină

bifazată de c.c. la care, pentru a se obţine cuplul maxim, sistemul bifazat comun (la care sunt raportate

atât fenomenele din stator cât şi cele din rotor) se orientează, cu axa reală, după fazorul spaţial al unui

flux (statoric, rotoric sau din întrefier). În cazul reglării directe a cuplului, abaterile dintre valorile de

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

19

referinţă impuse şi valorile reale (estimate) ale fluxului şi cuplului se folosesc pentru reglarea directă a

stărilor invertorului de alimentare a maşinii, pentru a menţine abaterile în intervalul unor zone de

histerezis fixate ale fluxului, respectiv cuplului.

3.3. Comanda motorului BLCPL

Comunicațiile prin liniile de putere (PLC) sunt disponibile de mai mulți ani, dar această

posibilitate nu a fost îndeajuns exploatată. Linia de alimentare a fost inițial concepută pentru a distribui

puterea într-un mod eficient, prin urmare, nu este adecvată pentru comunicare și sunt necesare metode

de comunicație avansate. Furnizorii de utilități electrice folosesc în mod regulat tehnologia pentru a

monitoriza și controla liniile de curent alternativ. Unele companii au încercat chiar să ofere servicii de

Internet de bandă largă. Dar limitările de mare viteză ale liniilor de curent alternativ, precum și

problemele de zgomot și interferențe au împiedicat progresul. Totuși, designerii pot folosi PLC pentru

funcțiile de monitorizare și control la rate de date scăzute, cum ar fi cititul automat al contorului de

energie, managementul energiei, și automatizarea locuinței.

3.3.1. Caracteristicile liniilor de putere

Zgomotul. Multe dispozitive electrice care sunt conectate la rețeaua de alimentare injectează

zgomot semnificativ înapoi pe rețea. Caracteristicile zgomotului de la aceste dispozitive variază foarte

mult. Examinarea zgomotului de la o gamă largă de dispozitive conduce la observația că zgomotul

poate fi clasificat în câteva categorii:

zgomot de impuls (dublul frecvenței de rețea); cele mai frecvente surse de zgomot de

impuls sunt variatoare de lumină controlate cu triac. Aceste dispozitive introduc zgomot când se

conectează lampa la rețea. Când lampa este setată la luminozitate medie curentul de pornire este

maxim și impulsuri de mai multe zeci de volți sunt introduse în rețeaua de alimentare. Aceste

impulsuri au loc la dublul frecvenței de curent alternativ, deoarece acest proces se repetă în fiecare

jumătate ciclu al curentului alternativ.

zgomot tonal: poate proveni din două surse de interferențe: intenționate și

neintenționate. Cele mai frecvente surse de zgomot tonal neintenționate sunt de le surse de alimentare

în comutație.

Aceste surse sunt prezente în numeroase dispozitive electronice, cum ar fi

calculatoarele personale și balasturi fluorescente electronice. Frecvența fundamentală a acestor surse ar

putea fi oriunde în intervalul de la 20 kHz la peste 1MHz. Zgomotul pe care aceste dispozitive îl

injectaza înapoi în rețeaua de alimentare este de obicei bogat în armonice ale frecvenței de comutare.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

20

zgomot de impulsuri de înaltă frecvență: își are sursa într-o varietate de motoare de

curent alternativ cu înfășurări în serie. Acest tip de motor este găsit în dispozitive, cum ar fi

aspiratoare, aparate de ras electrice și multe aparate comune de bucătărie. Arcul electric de la

comutarea acestor motoare produce impulsuri la rate de repetiție într-o gamă de mai mulți kHz.

Impedanţa. Dacă la liniile de comunicatie convenționale adaptarea impedanței se îndeplinește

prin utilizarea de cabluri de 50Ω și transceivere de 50Ω, linia rețelei de alimentare nu este compensată.

Impedanța de intrare (și ieșire) variază în timp, in functie de sarcini și de locație. Poate fi de la câţiva

mΩ la mai multe mii de Ω și este deosebit de mică la sub-stații.

Banda de frecvențe. Reglementările europene (EN 50065-1 CENELEC) interzic semnalizarea

pe linia de alimentare la frecvențe mai mari de 150kHz datorită posibilei interferențe cu servicii radio

de mică frecvență. Alocarea benzilor de comunicație pe liniile de alimentare cu energie în Europa este

prezentată în figura 6.9. Mulți specialiști subliniază că tehnicile de comunicare cu spectru extins pot fi

folosite pentru a îmbunătăți performanța în prezența zgomotului tonal. Îmbunătățirea maximă este

stabilită de gradul de răspândire care la rândul său este stabilit de lățimea de bandă disponibilă și de

rata de date dorită. Insă rezultatul acestor reglementări este că benzile de utilizare pentru consumatori

sunt prea înguste pentru utilizarea eficientă a tehnologiei cu spectru răspândit.

Fig.3.5. Benzile de frecvențe alocate comunicațiilor pe liniile de putere

O concluzie a diferitelor tehnologii care pot fi aplicate la comunicația pe linia de alimentare

duce la concluzia că prelucrarea semnalului digital este esențială pentru depășirea condițiilor dure ale

liniei de putere.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

21

3.3.2. Modemuri pentru comunicaţii prin linia de putere

Exista numeroase soluţii pentru modemuri destinate comunicaţiilor prin linia de alimentare cu

energie, chiar şi tensiuni mai mari decât cea uzuală, figura.6.10.

Fig.3.6. Plasarea Modemului pe linia de înaltă tensiune

Se observă separarea galvanică şi prezenta filtrelor de separare a modemului de zgomotul din

reţea. Pentru modemul propriu-zis există mai multe soluţii de la diverşi producători. Tehnicile de

transmisie permit obţinerea unor viteze de transmisie de mai mari. In tabelul 3.1. sunt prezentate mai

multe circuite specializate pentru comunicaţii prin linia de putere.

Circuit Producator Viteza

transmisie

Frecventa

purtatoare

Tip de

modulatie

Tensiunea

de

alimentare

TDA5051A NXP 600, 1200Bd 132,5kHz ASK 5V

MAX2990 Maxim 100kb/s 10kHz…490kHz OFDM 3,3V

AMIS-

49587

On Semiconductor 2400b/s @

50 Hz

9kHz…95kHz S-FSK 3,3V

ST7538Q STMicroelectronics 600, 1200,

2400,

4800Bd

60kHz…132,5k

Hz

FSK 7,5V…12,5V

AFE031 Texas Instruments 35kHz…150kHz FSK, S-FSK,

OFDM

7V…26V

Tab.3.1. Circuite modem pentru linii de putere disponibile pe piaţă

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

22

4. CONCLUZII ŞI PROPUNERI

Motorului BLCPL – BrushLess Commanded over Power Line este destinat aplicaţiilor din

domeniile electrocasnic (maşini de spălat rufe, maşini de uscat rufe, hote, etc.) şi auto (climatizare

habitaclu – HVAC), si prin optimizarea funcţionării (randamentului) motoarelor de mai sus în aplicaţii,

în vederea obţinerii de randamente superioare – min. 80 % funcţie de aplicaţie , tipic 90 % - şi

reducerea consumurilor de materiale active cu cca. 35 %.

4.1. Descrierea soluţiilor propuse

1. Motor brushless in constructie normala, cu magneti permanenti din ferita lipiti pe exteriorul

rotorului, figura 4.1. Bobinajul va fi realizat in sistem trifazat fiind conexat in stea. Magnetii vor fi

lipiti cu un adeziv capabil sa asigure retinerea lor la turatii mari, capabil de uscare la caldura sau in

ultraviolete. Adezivul trebuie sa reziste la temperaturile de min 100 grade C cat se presupune ca se vor

gasi in interiorul motorului. Scuturile motorului vor fi realizate dintr-un material ieftin si

neferomagnetic. Cel mai pretabil pentu aceasta este aliajul de aluminiu secundar pentru care exista o

vasta experienta in ANA IMEP. Pentru imbunatatirea eficientei constructiei mecanice se vor utiliza

rulmenti astfel incat pierderile sa fie cat mai mici. La motoarele pentru aplicatii electrocasnice se vor

utiliza rulmenti 6202 ZZ utilizati de minim 10 ani in ANA IMEP cu rezultate bune pentru gama de

puteri specificate si pentru aplicatiile electrocasnice.

Fig.4.1. Structura transversala a motorului propus in solutia 1

si campul magnetic la 0 grade electrice

2. Motor brushless in constructie normala, cu magneti permanenti din ferita inserati in locasuri

speciale ale rotorului, figura 4.2. Bobinajul va fi realizat in sistem trifazat fiind conexat in stea.

Magnetii vor fi introdusi in alveole de plastic care apoi vor fi introduse in locasurile special realizate

din rotor. Scuturile motorului vor fi realizate dintr-un material ieftin si neferomagnetic. Cel mai

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

23

pretabil pentu aceasta este aliajul de aluminiu secundar pentru care exista o vasta experienta in ANA

IMEP. Pentru imbunatatirea eficientei constructiei mecanice se vor utiliza rulmenti astfel incat

pierderile sa fie cat mai mici. La motoarele pentru aplicatii electrocasnice se vor utiliza rulmenti 6202

ZZ utilizati de minim 10 ani in ANA IMEP cu rezultate bune pentru gama de puteri specificate si

pentru aplicatiile electrocasnice.

Fig.4.2 Structura transversala a motorului propus in solutia 2

4.2 Caracteristici comune ale solutiilor propuse

Motoare brushless fără senzor de poziţie în construcţie normală sau inversată;

Curent nominal absorbit pe fază de la 0,5A la 2A cu vârfuri de max. 100% din valoarea

nominală pe durate mai mici de 1s;

Putere nominală absorbită de la 100W la 550W cu vârfuri de max. 50% din valoarea

nominală pe durate mai mici de 1s;

Bobinaj trifazat cu conexiune stea în 9 sau 12 bobine concentrate;

Rezistenţa înfăşurărilor va fi de la 40Ω la 180Ω pe fază (în funcţie de aplicaţie);

Randament al motoarelor: > 80%;

Turaţie nominală: 2000÷18000 rpm (în funcţie de aplicaţie);

Motoarele vor avea clasa de izolaţie: 1300C (B) sau 155

0C (F), putând ajunge în condiţii de

funcţionare anormală până la temperaturi de 2400C;

4.3. Caracteristicile tehnice ale controlerului electronic incorporat

Tensiune de alimentare modul 220÷240 ± 15%; 50 Hz;

Tensiunea generată pentru alimetare motor va fi de la 60V la 230V în concordanţă

cerinţelor de moment ale aplicaţiei;

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

24

Controlul turaţiei se va face pe toată plaja de la 0 ÷ 18000 rpm atât în sens orar cât şi

antiorar privind din spre profilul poli „V” al axului motorului, atât în timpul secvenţelor de

pornire, accelerare, deccelerare cât şi pe palier stabilizat;

Randamentrul modulului va fi: > 90%;

Temperatura de funcţionare va fi de: -40 ÷ 850C cu vârfuri pe durate mai mici de 15min. de

1400C;

Durata de viaţă a modulului va fi de min. 3000 cicli de funcţionare în aplicaţii;

Modulul va fi echipat cu toate perifericele necesare pentru a comunica atât cu motorul cât şi

cu modulul de comandă al aplicaţiei electrocasnice;

Modulul trebuie să fie capabil să genereze până la 6A / fază în regim continuu;

Va fi echipat cu găuri necesare pentru prinderea în şuruburi (M4) a acestuia pe una din

parţile fixe ale motorului.

Modulul va fi protejat contra distrugerii circuitelor în urma strângerii şuruburilor iar în jurul

găurilor se va lăsa gardă un cerc cu diametru de 10mm în care nu se vor afla circuite

electrice. Tensiunea de stăpungere a modulului către masă atât de la + la – cât şi în zona

şuruburilor va fi de 2500VDC.

Modulul trebuie să fie capabil să efectueze în timp real următoarele funcţii:

o Interfaţarea cu partea de comandă a aplicaţiei electrocasnice (ex. modul electronic al

maşinii de spălat);

o Interpretarea corectă a comenzilor generate de către aplicaţia electrocasnică şi

transmiterea comenzilor adecvate către motor;

o Controlul motorului atât ca turaţie cât şi ca secvenţe pornire / oprire precum şi sens

de rotaţie orar / antiorar.

o Reglajul turaţiei se va face prin reglarea factorului de umplere al unui semnal PWM

cu frecvenţă mai mare decât 70kHz în plaja de la 0 la 70% în aşa fel încât aceasta să

nu genereze zgomot şi vibraţii ale motorului;

o Controlul de poziţie se va face fără senzor de poziţie prin metoda “zero – crossing

detection” citind tensiunea prin bobina nealimentată;

o Turaţia motorului va putea fi reglată în plaja de la 0 la 18000 rpm cu o precizie de ±

10 rpm în condiţii de cuplu variabil;

o Modulul va avea integrat controlul temperaturii şi va proteja motorul la apariţia

temperaturilor excesive datorate eventualelor defecţiuni ale maşinii, modulului sau

utilizării greşite a aplicaţiei electrocasnice;

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

25

o Modulul va avea integrat controlul la apariţia curenţilor excesivi datoraţi blocării

accidentale a axului motorului, maşinii sau oricărui alt defect mecanic;

o Modulul va fi capabil să protejeze aplicaţia electrocasnică de eventualele

supratensiuni apărute în timpul funcţionării normale sau anormale ale motorului /

aplicaţiei;

o Va fi capabil să se conecteze la partea de forţă a aplicaţiei electrocasnice printr-un

conector Molex sau similar, cât şi la partea de comandă;

o Va avea posibilitatrea de a se interconecta cu PC printr-un port USB sau interfaţă

LAN (IEE 80.3) printr-un adaptor Fast Ethernet Network cu conector RJ45 şi de a

transmite în timp real informaţii către PC despre:

- curent,

- putere,

- turaţie,

- randament,

- tensiune alimetare, acestea urmând a putea fi introduse întru-un soft specializat

pentru a se putea vedea forma de undă şi trendul parametrilor de mai sus;

o Modulul va fi protejat vizavi de punerea accidentală la masă şi la apariţia defectelor

de bobinaj ale motorului;

o Modulul va avea ieşiri separate pentru aprinderea şi stingerea IGBT-urilor;

o Va fi capabil să îşi genereze singur tensiunile de alimentare necesare;

o recuperare energie;

4.4. Conditii de mediu pentru motorul BLCPL

Aplicaţii electrocasnice, umiditate 80 ÷ 95% ambiant necoroziv;

Temperatura ambiantă: -10 ÷ 850C;

Vibraţii: 10g; frecvenţă de la 0........25Hz;

Şocuri: 15g;

5. DISEMINAREA REZULTATELOR

Pagina web a proiectului: http://www.aim-srl.ro/blcpl;

Conference proceedings of 20th International Symposium for Design and Technology of

Electronics Packages (SIITME) - ISBN - 978-1-4799-6962-3;

Conference proceedings of 5th International Conference on Materials Science and

Technologies (RoMat 2014) - ISSN - 2285-7133;

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

26

6. STUDIU DE FEZABILITATE TEHNICA Partea I

Proiectul „Motor brushless fara senzor de pozitie cu controller electronic incorporat comandat

pe Power Line” are un profund caracter multi si inter-disciplinar, fiind conceput, dezvoltat si in final

produs in serie de un consortiu industrial-academic care cuprinde specialisti din domeniul electric -

electronisti, electrotehnicieni, automatisti, din domeniul mecanic - mecanici, tehnologi si dezvoltatori

software.

Caracterul multi-disciplinar al motorului BLCPL rezulta din imbinarea elementelor

constructive electro-mecanice care se regasesc in motorul sincron cu magneti permanenti - PMSM, cu

elemente electronice si de automatizare din controller-ul electronic incorporat.

Caracterul inter-disciplinar al proiectului se manifesta atat la componenta electro-mecanica a

proiectului dar preponderent la controller-ul electronic incorporat. Acesta din urma concentreaza

elemente de electronica de putere si de prelucrare analogica a semnalelor cu elemete inteligente de

prelucrare digitala a semnalelor si de comunicatie in retele locale. Prelucrarea digitala, comanda

elementelor de putere, protocolul de comunicatie in retea sunt realizate cu microcontroller-ul pe 32 de

biti cu intrari analogice pe 12 biti din structura controller-ului incorporat in baza programului

memorat.

Realizarea tehnica a proiectului implica o buna comunicare intre membrii consortiului, gasirea

unui limbaj comun si o repartizarea judicioasa a atributiilor care revin fiecarui partener. Astfel

elementele electro-mecanice vor fi concepute, proiectate si testate de PULS-JET si IME Pitesti, in timp

ce controller-ul electronic de catre UPB si Mibatron. Pregatirea fabricatiei, precum si fabricatia in serie

o va asigura Mibatron pentru controller-ul electronic incorporat, iar IME Pitesti motorul propriu zis cu

magneti permaneti, precum si produsul final motorul BLCPL.

Piata tinta a motorului BLCPL – BrushLess Commanded over Power Line este cea a

aplicatiilor din cladiri publice şi rezidenţiale automatizate: sisteme HVAC - heating, ventilation and air

conditioning, acționari de porți, uși, pompe, etc. precum si piata automatizarilor autio : sistemelor

HVAC, geamuri si oglinzi electrice, etc.

Eficienta marita din punct de vedere energetic, pretul de cost redus, cheltuielile de instalare si

de intretinere considerabil mai mici, durata de viata indelungata, integrarea rapida in sisteme de

automatizare datorita capacitatii de a comunica pe linia de alimentare, recomanda utilizarea motorului

BLCPL – brushless comandat pe powerline atat aplicatiilor noi cat si celor existente. Este preferabila

inlocuirea motoarelor depasite din punct de vedere tehnologic in aplicatiile existente cu acest nou tip

de motor datorita avantajelor enumerate mai sus si a posibilitatii de a reutiliza infrastructura de

alimentare.

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

27

În urma implementării proiectului, vor fi aduse beneficii de lunga durata si multiple: stiintifice,

tehnice, economice si sociale. Prezenta in cadrul consortiului a unei intreprinderi producatoare de

motoare, ea insasi parte a unui grup de companii, ANA Holding, care pot deveni primii utilizatori,

constituie o premisa pentru rapida valorificare a rezultatelor proiectului.

Rezultatele proiectului vor deschide noi oportunitati de dezvoltare nationala si internationala,

interdisciplinara in parteneriate europene.

Prezentul proiect răspunde obiectivelor strategice ale PN-II-PT-PCCA-2013 (crearea de

cunoaștere; creșterea competitivității economiei romanești prin inovare; creşterea calităţii sociale) şi

celor trei priorităţi ale Programului-cadru pentru cercetare și inovare Orizont 2020 (2014-2020)

(cercetare de excelenţă; poziţia de lider în sectorul industrial; provocări ale societăţii) prin:

promovarea dezvoltării de tehnologii viitoare şi emergente prin susţinerea cercetării

colaborative conducând la rezultate științifice şi tehnologice de vârf, competitive pe plan global, şi

garantând o producţie constantă de cercetare de nivel mondial (articole în reviste ISI cu factor de

impact ridicat) pentru asigurarea competitivităţii cercetării românești pe termen lung, care intră în

prioritatea excelenţei ştiinţifice;

realizarea tehnologiei inovative, capabilă să atragă investiţii importante din partea

partenerilor industriali cu o rată medie de creştere de 3-5% fiind dat interesul important socio-

economic pentru sisteme energetice eficiente şi ecologice.

În activitățile de cercetare din cadrul proiectului propus va fi antrenat personal cu specializare

înaltă, astfel încât vor fi antrenați tineri cercetători, doctoranzi dar şi cercetători cu experiență şi doctori

ingineri care vor fi astfel stimulați să rămână în ţară, oferinduli-se condițiile unei dezvoltări

profesionale la cel mai înalt nivel.

După realizarea şi experimentarea tehnologiei se creează premiza introducerii în fabricație a

echipamentelor rezultate in urma cercetarii, ceea ce implică crearea de noi locuri de muncă cu înaltă

calificare. Utilizarea acestora in domeniul automatizarilor auto si casnice (casa inteligenta) va spori

gradul de confort al cetatenilor, iar pentru persoanele cu diferite dezabilitati locomotorii, vor fi

salutare.

Soluţiile originale (brevetabile) realizate şi dezvoltate în cadrul acestui proiect pe parcursul

derulării contractului, precum şi modele/prototipurile realizate sunt şi rămân proprietatea S.C.

Mibatron SRL si SC ANAIMEP SA, conform legislaţiei în vigoare.

Rezultatele ştiinţifice ale cercetărilor, precum şi tehnologiile, procesele tehnologice noi, know-

how, realizate pe parcursul derulării activităţilor legate de obiectivul proiectului se vor repartiza între

PULS JET

MOTOR BRUSHLESS FARA SENZOR DE

POZITIE CU CONTROLLER ELECTRONIC

INCORPORAT COMANDAT PE POWER LINE

- BLCPL -

- Studiu tehnic, analiza, documentare-

- Studiu fezibilitate tehnica 1 -

Contract

nr.

58/2014

Etapa I

UPB

28

parteneri respectând contribuţia fiecăruia dintre parteneri SC MIBATRON SA, SC ANAIMEP SA, SC

PULS-JET SRL, Universitatea Politehnica Bucuresti, cu respectarea prevederilor legale în vigoare.

Drepturile de difuzare a rezultatelor proiectului aparţin tuturor membrilor consorţiului.

Respectarea aspectelor de etică în cercetarea ştiinţifică.

Membrii consorţiului se supun prevederilor Legii nr. 206/2004 privind buna conduită în

cercetarea ştiinţifică, dezvoltarea tehnologică şi inovare, cu modificările şi completările ulterioare, ale

Legii 64/1991 privind brevetele de invenţie, republicată, cu modificările ulterioare, ale Legii 129/1992

privind protecţia desenelor şi modelelor industriale, republicată şi a Legii 8/1996 privind dreptul de

autor şi drepturile conexe, cu modificările şi completările ulterioare.

7. BIBLIOGRAFIE

[1] Guvernul României, Ministerul Mediului şi Dezvoltării Durabile, Programul Naţiunilor Unite pentru

Dezvoltare, Centrul Naţional pentru Dezvoltare durabilă, Strategia Naţională pentru Dezvoltare

Durabilă a României; Orizonturi 2013 – 2020 – 2030, Bucureşti 2008.

[2] Carmen GURAN, România – actor în rolul principal în stagiunea 2010-2011 de pregãtire a Summit-

ului privind Dezvoltarea Durabilã din 2012, Rio+20, Consilier European; Revistă de informare şi

analiză privind domeniul afacerilor europene, Anul VI, nr. 4 (19) / Decembrie 2010.

[3] Andreas Jansen – Measuring currents in drive technology with microcontrollers, Infineon

Technologies; www.infineon.com/xmc.

[4] STMicroelectronics – Low cost self-synchronizing PMAC motor drive using ST7FLITE35,

Application note AN2281, March 2006.

[5] J.X. Shen, Z.Q. Zhu, David Howe – Improved Speed Estimation in Sensorless PM Brushless AC

Drives, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, No. 4, pp. 1072 – 1080, July/August

2002, ISSN 0093-9994.

[6] Texas Instruments – Sensorless Field Orineted Control of 3-Phase Permanent Magnet Synchronous

Motors, Application Report, SPRABQ3 – July 2013.

[7] Texas Instruments – Implementation of a Speed Field Orineted Control of 3-Phase PMSM Motor

using TMS320F240, Application Report, SPRA588 – September 1999.

[8] Ken Berringer, Bill Lucas, Loess Chalupa, Libor Prokop - Freescale Semiconductor. AN1858:

Sensorless Brushless dc Motor Using the MC68HC908MR32 Embedded Motion Control Development

System.

[9] Pavel Rech – PMSM FOC of Industrial Drives using the 56F84789, Freescale Semiconductor, 2013.

[10] Jorge Zambada, Debraj Deb – Sensorless Field Oriented Control of a PMSM, AN1087, Microchip

Technology, 2010.

[11] Jacek F. Gieras – Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, pp.261 – 271,

Marcel Dekker, Inc., New York, ISBN: 0-8247-0739-7, 2002.

[12] STMicroelectronics – STS8C5H30L, Datasheet, January 2007; www.st.com.

[13] Phil Sutterlin, Walter Downey - A Power Line Communication Tutorial. Challenges and

Technologies, Echelon Corporation, Palo Alto, CA, USA.

[14] * – UPB Technology Description, Version 1.4 02/16/05, Powerline Control Systems, USA;

www.pcslighting.com.